Theoretische Astroteilchenphysik und Kosmologie

Max-Planck-Institut für Kernphysik
Dunkle Energie
68,3%
Dunkle Materie
26,8%
Normale Materie
4,9%
Zusammensetzung des Universums nach den neuen Ergebnissen des Satelliten PLANCK, der die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung exakt vermessen hat. Dahinter
Galaxien des Hubble ultra deep field. (Quelle: the Hubble
Heritage)
Viele verschiedene Modelle werden zur Zeit untersucht.
So könnte z. B. das leichteste der zuvor erwähnten sterilen
Neutrinos die Dunkle Materie sein, wenn seine Masse eine
bestimmte Größenordnung hat. Darüber hinaus sind sogenannte „Weakly Interacting Massive Particles“ (WIMPs),
die in vielen Erweiterungen des Standardmodells der Teilchenphysik enthalten sind, attraktive Kandidaten. Diese
WIMPs könnten außerdem am Large Hadron Collider am
CERN erzeugt und ihre Eigenschaften untersucht werden,
wenn ihre Masse im zugänglichen Energiebereich liegt.
Die Dunkle Energie, die den größten Anteil des Universums ausmacht, verursacht eine beschleunigte Expansion
des Universums. Der Ursprung dieses mysteriösen
Phänomens ist noch weitgehend unerforscht, doch es gibt
bereits einige Erklärungsversuche.
Forschungsthemen am MPIK
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Theoretische Modelle und Phänomenologie der
dunklen Materie
Neue Strategien für die experimentelle Suche nach
dunkler Materie
Kosmologische Bedeutung der Neutrinos
Erklärung der Teilchen-Antiteilchen-Asymmetrie
Titelbild: Falschfarbendarstellung des „Bullet-Clusters“. Das
Bild zeigt die Kollision zweier Galaxienhaufen. Aus dem
Vergleich der Röntgenemissionen (rosa) und der Stärke des
Gravitationslinseneffekts (blau) kann man schließen, dass
ein Großteil der Materie in diesem Cluster dunkel sein muss.
(Quelle: NASA/Hubble Space Telescope)
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Theoretische
Astroteilchenphysik
und Kosmologie
Theoretische Astroteilchenphysik
und Kosmologie
Brückenschlag zwischen Teilchenphysik und
Astrophysik
Die moderne theoretische Physik zeigt uns, dass das Verhalten der Elementarteilchen auf kleinsten Skalen und
die Entwicklung des Universums im Großen untrennbar
verbunden sind. Diese faszinierenden Zusammenhänge
sind das Forschungsthema der Astroteilchenphysik und
der Kosmologie. Einerseits sind genaue Kenntnisse über
teilchenphysikalische Prozesse nötig, um die Entwicklung des frühen Universums zu verstehen. Andererseits
erlauben astrophysikalische und kosmologische Beobachtungen interessante Rückschlüsse auf die Eigenschaften der Elementarteilchen.
Ein Blick zurück zu den Anfängen des Universums
Fehlende Antimaterie und sterile Neutrinos
Die Sterne, Planeten und Galaxien, die unser heutiges
Universum ausmachen, sind ursprünglich aus einem heißen,
weitgehend gleichförmigen Elementarteilchenplasma entstanden. Im Laufe seiner Entwicklung hat sich das Universum
beständig ausgedehnt, wodurch das Plasma abkühlte und
verschiedene „Phasenübergänge“ durchlief. So entstanden ca.
300 000 Jahre nach dem Urknall die ersten Atome, indem
Atomkerne und Elektronen eine Bindung eingingen. In einer
noch früheren Phase, wenige Sekunden nach dem Urknall,
konnten selbst Atomkerne noch nicht existieren. Stattdessen
lagen ihre Bestandteile – Protonen und Neutronen – als freie,
ungebundene Teilchen vor. Doch auch diese bildeten sich erst
ca. eine millionstel Sekunde nach dem Urknall aus noch fundamentaleren Bestandteilen, den Quarks.
Heutige Modellrechnungen können die Entwicklung
des Universums bis zu einer milliardstel Sekunde nach dem
Urknall zuverlässig zurückverfolgen, doch es gibt zahlreiche
Versuche, noch weiter vorzudringen – bis hin zu Epochen, die
weniger als 10 –43 Sekunden nach dem Urknall liegen.
In allen modernen teilchenphysikalischen Theorien gibt es
zu jeder Teilchensorte so genannte Antiteilchen, die sich
von den Teilchen lediglich durch ihre entgegengesetzten
Ladungen unterscheiden. Treffen ein Teilchen und ein
Antiteilchen aufeinander, so können beide in einem intensiven Energieblitz „annihilieren“. Im Urknall wurden Materie
und Antimaterie zu gleichen Teilen produziert, das heutige
Universum besteht jedoch fast ausschließlich aus Materie.
Die Frage, was mit der fehlenden Antimaterie geschehen
ist, stellt eine der großen ungeklärten Fragen der Kosmologie dar.
Die Antwort auf diese Frage ist möglicherweise eng
mit den außergewöhnlichen Eigenschaften der Neutrinos
verknüpft: in „Seesaw-Modellen“, die erklären könnten,
warum Neutrinos deutlich weniger Masse besitzen als
alle anderen Elementarteilchen, gibt es neben den drei
bekannten Neutrinoarten (Neutrinoflavours genannt) noch
mehrere weitere, schwere Neutrinos. Falls dieser SeesawMechanismus tatsächlich existiert, wären die zusätzlichen
schweren Neutrinos im Urknall in großer Zahl produziert
worden; da sie jedoch instabil sind, wären sie innerhalb
weniger Sekundenbruchteile zerfallen. Dabei besteht die
Möglichkeit, dass mehr Materie als Antimaterie entsteht.
Dieser Mechanismus heißt „Leptogenese“.
Die theoretisch motivierten schweren Neutrinos werden
als „steril“ bezeichnet, weil sie noch viel schwächer als
normale Neutrinos mit anderen Teilchen wechselwirken
und deshalb noch schwerer nachweisbar sind. Indirekte
experimentelle Hinweise auf solche Neutrinos werden theoretisch untersucht.
Dunkle Materie und Dunkle Energie
Entwicklung des Universums. (Quelle: FZ Jülich)
Aus astrophysikalischen und kosmologischen Beobachtungen wissen wir, dass das Universum nur zu ca. 5% aus den
uns bekannten Elementarteilchensorten bestehen kann.
Den Rest machen die Dunkle Materie (ca. 27%) und die
Dunkle Energie (ca. 68%) aus.
Dunkle Materie besteht sehr wahrscheinlich aus bislang
unbekannten Sorten von Elementarteilchen. Die Entwicklung von teilchenphysikalischen Modellen, die eine
Erklärung für die Existenz Dunkler Materie liefern und die
Berechnung ihrer Eigenschaften erlauben, stellt eine große
Herausforderung für die theoretische Teilchenphysik dar.